[發(fā)明專利]鐵素體系不銹鋼鋼材、和使用其的固體高分子形燃料電池用分隔件及固體高分子形燃料電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580053657.7
• 申請(qǐng)日: 2015-09-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107109551A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 樽谷芳男;矢澤武男;浜田龍次;關(guān)彰;今村淳子
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 新日鐵住金株式會(huì)社
• 主分類(lèi)號(hào): C22C38/00
• 分類(lèi)號(hào): C22C38/00;C21D9/46;C22C38/54;H01M8/0202;H01M8/10
• 代理公司: 北京林達(dá)劉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11277
• 代理人: 劉新宇,李茂家

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鐵素體系不銹鋼鋼材、和使用其的固體高分子形燃料電池用分隔件以及固體高分子形燃料電池。需要說(shuō)明的是，在此所稱的分隔件有時(shí)也稱為雙極板(bipolar plate)。

背景技術(shù)

燃料電池為利用氫氣和氧氣以直流電流發(fā)電的電池，大致分為固體電解質(zhì)形、熔融碳酸鹽形、磷酸形和固體高分子形。各形式源自構(gòu)成燃料電池的主體部分的電解質(zhì)部分的構(gòu)成材料。

現(xiàn)在，作為達(dá)到商用階段的燃料電池，存在在200℃左右工作的磷酸形、和在650℃左右工作的熔融碳酸鹽形。隨著近年的技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展，在室溫左右工作的固體高分子形、和在700℃以上工作的固體電解質(zhì)形作為汽車(chē)裝載用或家庭用小型電源受到關(guān)注。

圖1為表示固體高分子形燃料電池的結(jié)構(gòu)的說(shuō)明圖，圖1的(a)為燃料電池單元(單電池)的分解圖、圖1的(b)為燃料電池整體的立體圖。

如圖1的(a)和圖1的(b)所示，燃料電池1為單電池的集合體。單電池如圖1的(a)所示具有在固體高分子電解質(zhì)膜2的一面層疊燃料電極膜(陽(yáng)極)3、在另一面層疊氧化劑電極膜(陰極)4、在這兩面重疊分隔件5a及5b的結(jié)構(gòu)。

作為代表性的固體高分子電解質(zhì)膜2，存在具有氫離子(質(zhì)子)交換基團(tuán)的氟系離子交換樹(shù)脂膜。

對(duì)于燃料電極膜3和氧化劑電極膜4，在包含由碳纖維構(gòu)成的碳紙或碳布的擴(kuò)散層表面設(shè)置包含顆粒狀的鉑催化劑和石墨粉、具有氫離子(質(zhì)子)交換基團(tuán)的氟樹(shù)脂的催化劑層，與透過(guò)擴(kuò)散層的燃料氣體或氧化性氣體接觸。

由設(shè)置于分隔件5a的流路6a流通燃料氣體(氫氣或含有氫氣的氣體)A、向燃料電極膜3供給氫氣。另外，由設(shè)置于分隔件5b的流路6b流通空氣那樣的氧化性氣體B、供給氧氣。通過(guò)這些氣體的供給，產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生直流電力。

固體高分子形燃料電池分隔件所要求的功能，為(1)在燃料極側(cè)、作為面內(nèi)均勻地供給燃料氣體的“流路”的功能；(2)作為將在陰極側(cè)生成的水由燃料電池與反應(yīng)后的空氣、氧氣等載氣一起有效地排出到系統(tǒng)外的“流路”的功能；(3)作為長(zhǎng)時(shí)間作為電極維持低電阻、良電導(dǎo)性的單電池間的電的“連接器”的功能；和(4)在鄰接的單元作為一個(gè)單元的陽(yáng)極室與鄰接的單元的陰極室的“間壁墻”的功能等。

迄今，作為分隔件材料，碳板材的適用以實(shí)驗(yàn)室水平進(jìn)行深入研究，但是存在碳板材容易破裂的問(wèn)題，進(jìn)而存在用于使得表面平坦的機(jī)械加工成本和用于氣體流路形成的機(jī)械加工成本非常高的問(wèn)題。分別為大的問(wèn)題，存在燃料電池的商用化其本身是困難的狀況。

在碳之中，熱膨脹性石墨加工品格外廉價(jià)，因此作為固體高分子形燃料電池分隔件用原材料最受到關(guān)注。但是，應(yīng)付越來(lái)越嚴(yán)格的尺寸精度、產(chǎn)生于燃料電池適用中的經(jīng)年性的粘合用有機(jī)樹(shù)脂的劣化、受到電池運(yùn)轉(zhuǎn)條件的影響進(jìn)行的碳腐蝕、以及燃料電池裝配時(shí)和使用中產(chǎn)生的預(yù)想不到的破裂事故等作為今后也應(yīng)該解決的問(wèn)題殘留。

作為對(duì)峙于這種石墨系原材料的適用的研究的行動(dòng)，為了降低成本，開(kāi)始嘗試將不銹鋼適用于分隔件。

專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)了包含金屬制構(gòu)件、在與單位電池的電極的接觸面直接實(shí)施了鍍金的燃料電池用分隔件。作為金屬制構(gòu)件，可列舉出不銹鋼、鋁和Ni-鐵合金，作為不銹鋼，使用SUS304。該發(fā)明中，分隔件由于實(shí)施鍍金，因此分隔件與電極的接觸電阻降低，由分隔件向電極的電子的導(dǎo)通良好，因此燃料電池的輸出電壓增大。

專利文獻(xiàn)2中公開(kāi)了使用由形成于表面的鈍態(tài)覆膜通過(guò)大氣容易生成的金屬材料形成的分隔件的固體高分子形燃料電池。作為金屬材料，可列舉出不銹鋼和鈦合金。該發(fā)明中，在分隔件中使用的金屬的表面必定存在鈍態(tài)覆膜，金屬的表面在化學(xué)上難以侵入，由燃料電池單元生成的水被離子化的程度降低，燃料電池單元的電化學(xué)反應(yīng)度降低得到抑制。另外，通過(guò)去除分隔件與電極膜等接觸的部分的鈍態(tài)覆膜、形成貴金屬層，由此電接觸電阻值減小。

但是，即使將通過(guò)專利文獻(xiàn)1及2公開(kāi)的在表面具備鈍態(tài)覆膜的不銹鋼等金屬材料直接用于分隔件，耐蝕性也不充分，產(chǎn)生金屬的溶出，由于溶出金屬離子而負(fù)載催化性能劣化。另外，由于溶出后生成的Cr-OH或Fe-OH等腐蝕生成物而分隔件的接觸電阻增加，因此現(xiàn)狀是，對(duì)于由金屬材料形成的分隔件，將成本置之度外實(shí)施鍍金等貴金屬鍍覆。

這種狀況下，作為分隔件，也提出了不實(shí)施昂貴的表面處理就可以單純直接適用的耐蝕性優(yōu)異的不銹鋼。